I den nåværende epoken med romutforskning er navnet på spillet "kostnadseffektivt." Ved å redusere kostnadene forbundet med individuelle lanseringer, sørger romfartsbyråer og private luftfartsselskaper (også kalt NewSpace) for at tilgangen til rommet er større. Og når det gjelder kostnadene ved utsetting, er den største kostnaden for drivmiddel. For å si det enkelt, å ta seg fri fra jordens tyngdekraft tar mye rakettdrivstoff!
For å adressere dette utviklet forskere ved University of Washington nylig en matematisk modell som beskriver virkningen av en ny lanseringsmekanisme: den roterende detonasjonsmotoren (RDE). Denne lette designen gir større drivstoffeffektivitet og er mindre komplisert å konstruere. Imidlertid følger det med den ganske store avveiningen av å være for uforutsigbar til å tas i bruk akkurat nå.
Studien som beskriver forskningen deres (“Moduslåste roterende detonasjonsbølger: Eksperimenter og en modellligning”) dukket nylig opp i tidsskriftet Fysisk gjennomgang E. Forskningsteamet ble ledet av James Koch, en UW-doktorgradsstudent i luftfart og astronautikk, og inkluderte Mitsuru Kurosaka og Carl Knowlen, begge UW-professorer i Aeronautics & Astronautics; og J. Nathan Kutz, en UW-professor i anvendt matematikk.
I en konvensjonell rakettmotor blir drivmiddel brent i et tenningskammer og deretter kanalisert ut bakfra gjennom dyser for å generere skyvekraft. I en RDE fungerer ting annerledes, som Koch forklarte i en UW News-utgivelse:
“En roterende detoneringsmotor tar en annen tilnærming til hvordan den forbrenner drivstoff. Den er laget av konsentriske sylindre. Drivmiddel strømmer i gapet mellom sylindrene, og etter tenning danner den raske varmeutløsningen en sjokkbølge, en sterk puls av gass med betydelig høyere trykk og temperatur som beveger seg raskere enn lydhastigheten.
Dette skiller RDE fra konvensjonelle motorer, som krever mye maskineri for å styre og kontrollere forbrenningsreaksjonen slik at den kan gjøres om til akselerasjon. Men i en RDE skaper sjokkbølgen som genereres av tenningene kraftig naturlig og uten behov for ytterligere motordeler.
Som Koch indikerer, er imidlertid det roterende detonasjonsmotorfeltet fortsatt i sin spede begynnelse, og ingeniørene er fremdeles ikke sikre på hva de er i stand til. Derfor bestemte han og kollegene seg for å teste konseptet, som besto av omarbeidelse av tilgjengelige data og se på mønsterformasjoner. Først utviklet de en eksperimentell RDE (vist nedenfor) som tillot dem å kontrollere forskjellige parametere (som størrelsen på gapet mellom sylindere).
De registrerte deretter forbrenningsprosessene (som bare tok 0,5 sekunder å fullføre hver gang) med et høyhastighets kamera. Kameraet registrerte hver tenning med en hastighet på 240 000 bilder per sekund, slik at teamet kunne se reaksjonene utfolde seg i sakte film. Som Koch forklarte, fant han og kollegene ut at motoren faktisk fungerte bra.
“Denne forbrenningsprosessen er bokstavelig talt en detonasjon - en eksplosjon - men bak denne første oppstartfasen ser vi et antall stabile forbrenningspulser som fortsetter å konsumere tilgjengelig drivmiddel. Dette produserer høyt trykk og temperatur som driver eksos ut av baksiden av motoren i høye hastigheter, noe som kan generere skyvekraft.
Deretter utviklet forskerne en matematisk modell for å etterligne det de observerte med eksperimentet sitt. Denne modellen, den første i sitt slag, lot teamet bestemme for første gang om en RDE ville være stabil. Og selv om denne modellen ennå ikke er klar for andre ingeniører å bruke, kan den tillate andre forskerteam å vurdere hvor godt spesifikke RDE-er vil prestere.
Som nevnt har motorutformingen en ulempe, som er dens uforutsigbare natur. På den ene siden fører prosessen med forbrenningsdrevne sjokk naturligvis til komprimering av støtene ved forbrenningskammeret, noe som resulterer i skyvekraft. På den andre siden detonasjonene er voldelige og ukontrollerte - noe som er helt uakseptabelt når det gjelder raketter.
Men som Koch forklarte, denne forskningen var en suksess ved at den testet dette motordesignet og målte oppførselen sin kvantitativt. Dette er et godt første skritt og kan bidra til å bane vei mot faktisk utvikling og realisering av RDE-er.
"Målet mitt her var utelukkende å gjengi oppførselen til pulsen vi så - å sørge for at modellutgangen ligner våre eksperimentelle resultater," sa Koch. “Jeg har identifisert den dominerende fysikken og hvordan de spiller sammen. Nå kan jeg ta det jeg har gjort her og gjøre det kvantitativt. Derfra kan vi snakke om hvordan man lager en bedre motor. ”
Koch og kollegas forskning ble muliggjort takket være finansiering gitt av U.S. Air Force Office of Scientific Research og Office of Naval Research. Selv om det er for tidlig å si, kan implikasjonene av denne forskningen være vidtrekkende, og føre til rakettmotorer som er enklere å produsere og mer kostnadseffektive. Alt som trengs er å sikre at selve motorutformingen er trygg og pålitelig.
